光伏電池板跟蹤系統的設計

丁 健 王 俊

(合肥學院電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601）

光伏電池板跟蹤系統的設計

丁 健 王 俊

(合肥學院電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601）

對以STC89C52單片機作為控制器的光伏電池板跟蹤系統進行了研究。系統通過光伏電池板自動跟蹤太陽光，使光伏電池板盡可能與入射光線成直角，從而使光伏電池板獲得較高的集光效率。為此，利用光敏電阻實現光電信號的檢測，設計了光敏電阻分壓電路，將采集到的電壓信號經A/D轉換后送給單片機處理，通過控制步進電機的運行，從而實現光伏電池板的自動跟蹤控制。經驗證，本系統能滿足光伏電池板實時跟蹤太陽的功能，而且結構簡單，性能較穩定。

光伏；跟蹤；光敏電阻；電池板

1 前言

隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭，大量使用化石燃料己經為人類生存環境帶來了嚴重的后果。大力發展可再生能源對保障世界各國能源安全、改善環境保護、增加各國就業都起了重要作用。因此，可再生能源的開發越來越受到各國的重視[1]。如今，可再生能源已經在世界能源消費中占據了重要地位，在發電、供熱(制冷）、交通等各個領域得到了廣泛應用。

太陽能相對于其他資源和能源而言，它具有清潔、經濟、無污染[2]。當前，光伏產業得到了迅速發展，然而，光伏電池板利用效率不高。通過光伏電池板自動跟蹤太陽光，使光伏電池板盡可能與入射光線成直角，從而使太陽能電池板獲得更高的集光效率，是高效利用太陽能的一個解決方案[3]。

目前，太陽能電池板安裝大多數是固定的，而太陽的位置是不斷變化的，光伏電池板與入射光線之間的夾角發生變化，從而導致轉換效率不高。太陽能電池板如能跟蹤太陽光就能夠產生更多的能量。據實驗，在太陽能光伏發電中，采用自動跟蹤太陽光，能夠比太陽能電池板固定時的發電量增加35%[4]。

2 系統的硬件設計

該系統選擇STC89C52作控制器，以光敏電阻作為實現光電轉換的元器件，利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理實現光電信號的轉化。將兩個完全相同的光敏電阻分別放置在電池板東西方向上兩個不同的位置，利用分壓電路將光照強度的變化轉換成電壓的變化，將采集到的兩路電壓信號經A/D轉換變為數字信號后直接送給單片機處理，然后通過由ULN2003芯片構成的步進電機驅動電路，控制步進電機的正向和反向旋轉，從而實現光伏電池板的自動跟蹤控制。系統主要電路模塊包括光照強度信號轉換與檢測電路、A/D轉換模塊、電機驅動模塊和電源模塊等，系統控制結構框圖如圖1所示。

該控制系統需要提供5V電源，用7.2V飛思卡爾電池提供的穩定的7.2V電壓作為電源模塊輸入，選擇LM2940-5.0作為穩壓芯片，設計7.2V轉5V電路，電源模塊輸出電壓5V，并設計有電源開關和電源指示燈，能夠滿足系統對電源的需求。為了提高系統的抗干擾性和電壓的穩定性，系統中使用了濾波電容，具體系統電源模塊電路圖如圖2所示[5]。

本設計以光敏電阻作為光電轉換元件，將光照強度的變化轉換為電壓的變化，利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理從而實現光電信號的轉化。本設計將兩個完全相同的光敏電阻安裝在一個平板的東西方向上，中間用適當蓋度的遮板隔開，這個平板固定在光伏電池板上，光照強度的變化將會引起光敏電阻阻值的變化。如圖3所示含有光敏電阻的分壓電路使光敏電阻兩端的電壓值發生變化，從而實現將光照強度的變化轉換成電壓的變化[6][7]。

該系統所用步進電機為五線四相步進電機，我們選擇ULN2003達林頓驅動芯片，該芯片單片最多可一次驅動七線步進電機，當然只有四線制也是沒有問題的，步進電機驅動電路模塊如圖4所示。

綜合以上設計，整個系統電路原理圖如圖5所示。

3 系統的軟件設計

本控制系統的軟件設計采用模塊化設計，由主程序模塊和子程序模塊組成，子程序主要包括兩個部分，由A/D轉換模塊以及步進電機驅動模塊組成。

當程序開始運行后，首先進行初始化，然后進入循環，啟動A/D轉換程序，采集左邊光敏電阻的電壓值number1和右邊光敏電阻的電壓值number2，然后單片機讀取數據，通過計算比較左右兩個光敏電阻的電壓值，控制步進電機正反轉從而實現實時跟蹤。當右邊的光敏電阻所受光照強度比左邊大時，由光敏電阻的工作特性可知，右邊光敏電阻的電阻值會比左邊小，number1會大于number2，當number1—number2＞12時，單片機控制步進電機正轉，控制太陽能光伏板轉向右邊，即光照強度大的一邊，從而使太陽能光伏板垂直對著太陽光線。

當右邊的光敏電阻所受光照強度比左邊小時，右邊光敏電阻的電阻值比左邊大，number2會大于number1，當number2—number1＞12時，單片機控制步進電機反轉，控制太陽能光伏板轉向左邊，同樣是光照強度大的一邊，使太陽能光伏板垂直對著太陽光線。

當左右邊的光敏電阻所受光照強度差值較小時，此時采集到的左右兩個光敏電阻的電壓值number1和number2也相差較小，當|number1—number2|<12時，步進電機不會轉動。

主程序的流程圖如圖6所示。

ADC0804為目前常用的A/D轉換器，工作的電壓范圍為O～5V，分辨率為8位。ADC0804的工作時序圖如圖7、圖8所示：

由時序圖可知，實現一次ADC轉換主要包括啟動轉換和讀取數據兩個過程。首先是啟動轉換，如圖7所示，在啟動轉換時，CS處于低電平，然后WR從高電平變成低電平，經過至少tW(WR）I延時后，再將/WR引腳拉成高電平，即啟動了一次AD轉換。其中tW(WR）I的最小值應為為100ns，具體做法可通過插入_nop_(）語句或者調用delay(）延時函數實現，不用太精確，只要估計插入的延時大于100ns即可，因為_nop_(）的作用是延時一個機器周期，時間會大于100ns。在啟動轉換完成之后，進行讀取數據，如圖8所示，在INTR為低電平的情況下，CS由高電平變成低電平，此時RD也從高電平變成低電平，在保持tACC的時長后完成讀取數據工作，同樣我們可以利用插入_nop_(）語句，這時就完成了數據讀取工作[8]。

A/D轉換程序流程圖如圖9所示。

4 總結

本設計給出了光伏電池板跟蹤系統的軟硬件設計方案，根據左邊光敏電阻的電壓值number1和右邊光敏電阻的電壓值number2之間的差值關系來決定步進電機的正反轉，經多次反復驗證，可以確定一個較為準確的數據。對于本系統，當number1—number2＞12時，步進電機正轉，帶動太陽能光伏板轉向右邊，從而使太陽能光伏板垂直對著太陽光線；當number2—number1＞12時，步進電機反轉，帶動太陽能光伏板轉向左邊，使太陽能光伏板垂直對著太陽光線；當|number1—number2|<12時，步進電機不會轉動。調試好的系統能滿足光伏電池板實時跟蹤太陽的功能，而且結構簡單，性能較穩定，達到了預期設計的功能，可以作為現實生活中提高太陽能發電效率的一種可行方法。

[1]趙春江，楊金煥，陳中華，等.太陽能光伏發電應用的現狀及發展[J].節能技術，2007，（5）:461-465.

[2]周天沛.全自動光伏發電裝置的設計[J].自動化技術與應用，2011，（1）:93-95.

[3]程啟明，程尹曼，汪明媚，等.光伏電池最大功率點跟蹤方法的發展研究[J].華東電力，2009，（8）:1300-1306.

[4]余海.太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J].新能源研究與利用，2004，（3）：34-37.

[5]National Semiconductor.LM2940手冊[EB/OL].（2003-01-10）[2014-10-02].http://www.alldatasheetcn.com/view.jsp?Searchword=LM2940

[6]張鵬，王興君，王松林.光線自動跟蹤在太陽能光伏系統中的應用[J].現代電子技術，2007，（14）:189-191.

[7]羅清.太陽能電池板跟蹤控制系統改進研究[J].湖北工業大學學報，2013，（5）:62-63.

[8]National Semiconductor.ADC0804手冊[EB/OL].（1999-11-10）[2014-10-02].http://datasheet.soiseek.cn/INTERSIL/ADC0804LCWM/1.html

責任編輯:陳 鳳

TP273.5

A

1672-2868(2014)06-0108-05

投稿日期:2014-10-20

安徽高校省級自然科學研究項目(項目編號：KJ2013Z277）；合肥學院科研發展基金自然科學重點項目(項目編號：13KY01ZD）

丁健(1971-），男，安徽宿州人。合肥學院電子信息與電氣工程系，副教授，碩士。研究方向：計算機控制、嵌入式系統。